减少PCB中的冷却风扇電(diàn)噪声

2021-04-16

减少PCB中的冷却风扇電(diàn)噪声

谁没有(yǒu)打开PC或筆(bǐ)记本電(diàn)脑并仔细查看其风扇和散热器？如果您使用(yòng)的是高速组件，高频组件或電(diàn)源组件，则需要设计某种冷却策略以消除这些组件的热量。除非要使用(yòng)核选件并安装蒸发冷却装置或建造水冷却系统，否则在使用(yòng)冷却风扇时，将以最小(xiǎo)的外形尺寸获得最佳效果。最好将风扇添加到散热器上以帮助对流传热。

风扇電(diàn)气噪声和辐射EMI

无论使用(yòng)哪种方法冷却系统，或者正在构建冷却系统，都需要考虑一些特定的EMI / EMC点，具體(tǐ)取决于驱动风扇的方法。

交流驾驶

交流驱动风扇很(hěn)少用(yòng)于紧凑型系统中，因為(wèi)如果没有(yǒu)频率控制就无法进行速度控制，并且这些系统通常在高交流電(diàn)压下运行。因此，它们很(hěn)可(kě)能(néng)在工业系统中被发现。这些风扇会在基频和高次谐波处产生明显的传导EMI（共模和差模），然后通过電(diàn)源/地線(xiàn)传播。通常可(kě)以通过共模过滤（LC网络），随后的差分(fēn)过滤（另一个LC网络）和串联的RC过滤器将其除去。

直流驱动

尽管直流风扇看上去似乎无電(diàn)噪声，但它们的确会产生声音和電(diàn)噪声。不同类型的风扇会产生自己的EMI类型，从而难以通过EMC测试。由于用(yòng)于吸引和排斥转子的旋转磁體(tǐ)，即使是直流電(diàn)动机也将产生EMI，在换向过程中会产生强烈的开关噪声。DC风扇产生的EMI通常仅限于风扇電(diàn)源線(xiàn)中的传导EMI（对于2線(xiàn)DC风扇）。风扇的電(diàn)噪声通常会注入到公共接地中，并再次出现在驱动风扇的任何放大器的输出处。

简单的单轴直流冷却风扇

这并不是说DC风扇不会产生辐射EMI，但是由于来自永磁體(tǐ)和定子绕组的磁场（UMF）的限制，辐射EMI的频率与转速相同。UMF实际上在某种程度上存在于所有(yǒu)风扇中，但是处理(lǐ)UMF的第一步是制造商(shāng)的责任。一些制造商(shāng)会在风扇中放置一个薄的钢制外壳，以在至少两个安装平面中抑制UMF。这意味着辐射EMI很(hěn)大程度上取决于风扇的方向。

UMF辐射的EMI会在附近的高電(diàn)感電(diàn)路中感应出低频纹波電(diàn)流。较大的风扇通常需要更强的磁场来驱动，因此，在给定的转速下，它们将表现出更强的EMI。但是，即使在数千RPM的转速下，此辐射EMI的频率也只会在数百Hz的范围内。

PWM驱动

PWM驱动的风扇通过改变占空比和PWM信号来提供速度控制。通过PWM驱动，您正在使用(yòng)占空比变化的开关MOSFET或其他(tā)電(diàn)路。请注意，速度控制是通过设置适当的占空比和脉冲频率来提供的。这实际上非常重要，因為(wèi)在极低脉冲频率的极端情况下，当PWM信号為(wèi)低電(diàn)平时，风扇可(kě)能(néng)会减速到停止。如果PWM信号非常快（高频），则在尝试过快驱动风扇时，会由于混叠效应而听到一些有(yǒu)趣的噪声。

对于PWM驱动的风扇，大多(duō)数PWM驱动器会在高达MHz范围的高频下产生共模噪声。使用(yòng)PWM驱动的感应電(diàn)动机会通过電(diàn)源線(xiàn)在附近的電(diàn)路中以传导EMI的形式感应共模噪声，这可(kě)能(néng)会影响您的EMC等级。这种风扇驱动在需要速度控制的计算机中更為(wèi)常见。请注意，这还需要使用(yòng)温度控制和速度调节電(diàn)路以确保风扇保持稳定的速度，以便控制器可(kě)以根据需要增加/减少占空比。

小(xiǎo)号imple单轴DC冷却风扇

请注意，由于过冲/振铃，PWM電(diàn)路本身也会产生传导EMI。应该对此进行平滑或过滤，但是在向风扇的输入端添加旁路電(diàn)容器或铁氧體(tǐ)磁珠之前，应检查风扇制造商(shāng)的准则。我已经看到解决此问题的建议，包括建立一个LC滤波器，一个带阻滤波器以消除振铃信号，在输出端使用(yòng)一个RC滤波器。无论如何，请确保您的过滤策略满足制造商(shāng)的建议。

如果PWM信号的上升时间很(hěn)快，那么您可(kě)能(néng)会遇到与开关電(diàn)源类似的问题，在开关電(diàn)源中，开关信号会在附近的某些電(diàn)路中引起串扰。如果使用(yòng)大電(diàn)流PWM信号驱动大型风扇，则PWM信号的开关动作可(kě)能(néng)会导致附近数字電(diàn)路的非自愿开关。不管PWM脉冲序列的频率或占空比如何，都会发生这种情况。此时，您应该考虑為(wèi)PWM電(diàn)路添加一些屏蔽。

选择风扇并降低风扇的電(diàn)子噪音

由于传导EMI是设计使用(yòng)风扇的系统时要解决的主要因素，因此您需要设计某种方法来解决这种噪声。如果要采取滤波策略，则应该花(huā)一些时间来确定需要滤波的频率。就我个人而言，我会花(huā)时间订購(gòu)一些风扇，并使用(yòng)示波器在用(yòng)于敏感组件的原型或评估板上进行测试。虽然您可(kě)能(néng)不希望在某些风扇上花(huā)100元，等几天让他(tā)们收到邮件，但这总比忽略噪声源和重新(xīn)设计電(diàn)路板的一部分(fēn)要好。